Los cúmulos son nubes que tienen bases planas y a menudo se describen como hinchadas, parecidas al algodón o de apariencia esponjosa. Su nombre deriva del latín cumulus , que significa "montón" o "montón". [1] Los cúmulos son nubes de bajo nivel, generalmente de menos de 2.000 m (6.600 pies) de altitud , a menos que sean la forma de cúmulo congestus más vertical . Los cúmulos pueden aparecer solos, en líneas o en cúmulos.
Los cúmulos suelen ser precursores de otros tipos de nubes, como los cumulonimbus , cuando están influenciados por factores climáticos como la inestabilidad , la humedad y el gradiente de temperatura . Normalmente, los cúmulos producen poca o ninguna precipitación, pero pueden convertirse en cúmulos congestus o cumulonimbos que contienen precipitaciones. Los cúmulos pueden formarse a partir de vapor de agua , gotas de agua sobreenfriada o cristales de hielo , dependiendo de la temperatura ambiente . Vienen en muchas subformas distintas y generalmente enfrían la Tierra reflejando la radiación solar entrante .
Los cúmulos son parte de la categoría más amplia de nubes cumuliformes de convección libre, que incluyen los cumulonimbos. El último tipo de género a veces se clasifica por separado como cumulonimbiforme debido a su estructura más compleja que a menudo incluye una parte superior cirriforme o yunque . [2] También hay nubes cumuliformes de convección limitada que comprenden estratocúmulos (etapa baja), altocúmulos (etapa media) y cirrocúmulos (etapa alta). [3] Estos últimos tres tipos de género a veces se clasifican por separado como estratocumuliformes. [2]
Los cúmulos se forman por convección atmosférica cuando el aire calentado por la superficie comienza a ascender. A medida que el aire sube, la temperatura desciende (siguiendo la tasa de lapso ), lo que hace que la humedad relativa (HR) aumente. Si la convección alcanza un cierto nivel, la humedad relativa alcanza el cien por ciento y comienza la fase "adiabática húmeda". En este punto se produce una retroalimentación positiva: dado que la humedad relativa es superior al 100%, el vapor de agua se condensa, liberando calor latente , calentando el aire y estimulando una mayor convección.
En esta fase, el vapor de agua se condensa sobre diversos núcleos presentes en el aire, formando el cúmulo. Esto crea la característica forma hinchada de fondo plano asociada con los cúmulos. [4] [5] La altura de la nube (desde su base hasta su cima) depende del perfil de temperatura de la atmósfera y de la presencia de posibles inversiones . [6] Durante la convección, el aire circundante es arrastrado (mezclado) con el térmico y la masa total del aire ascendente aumenta. [7] La lluvia se forma en un cúmulo mediante un proceso que involucra dos etapas no discretas. La primera etapa ocurre después de que las gotas se fusionan en los distintos núcleos. Langmuir escribe que la tensión superficial en las gotas de agua proporciona una presión ligeramente mayor sobre la gota, elevando la presión de vapor en una pequeña cantidad. El aumento de presión hace que esas gotas se evaporen y el vapor de agua resultante se condense en las gotas más grandes. Debido al tamaño extremadamente pequeño de las gotas de agua que se evaporan, este proceso deja de tener sentido cuando las gotas más grandes han crecido hasta alcanzar entre 20 y 30 micrómetros , y pasa a la segunda etapa. [7] En la fase de acreción, la gota de lluvia comienza a caer y otras gotas chocan y se combinan con ella para aumentar el tamaño de la gota de lluvia. Langmuir pudo desarrollar una fórmula [nota 1] que predijo que el radio de la gota crecería ilimitadamente en un período de tiempo discreto. [8]
Se ha descubierto que la densidad del agua líquida dentro de un cúmulo cambia con la altura sobre la base de la nube en lugar de ser aproximadamente constante en toda la nube. En un estudio particular, se encontró que la concentración era cero en la base de las nubes. A medida que aumentaba la altitud, la concentración aumentaba rápidamente hasta la concentración máxima cerca del centro de la nube. Se encontró que la concentración máxima era de hasta 1,25 gramos de agua por kilogramo de aire. La concentración disminuyó lentamente a medida que la altitud aumentó hasta la altura de la cima de la nube, donde inmediatamente volvió a caer a cero. [9]
Los cúmulos se pueden formar en líneas que se extienden a lo largo de 480 kilómetros (300 millas) de largo llamadas calles de nubes. Estas calles de nubes cubren vastas áreas y pueden ser discontinuas o continuas. Se forman cuando la cizalladura del viento provoca una circulación horizontal en la atmósfera, produciendo largas calles de nubes tubulares. [10] Generalmente se forman durante sistemas de alta presión , como después de un frente frío. [11]
La altura a la que se forma la nube depende de la cantidad de humedad en la térmica que forma la nube. El aire húmedo generalmente dará como resultado una base de nubes más baja. En zonas templadas , la base de los cúmulos suele estar por debajo de los 550 metros (1.800 pies) sobre el nivel del suelo, pero puede alcanzar hasta 2.400 metros (7.900 pies) de altitud. En zonas áridas y montañosas, la base de las nubes puede superar los 6.100 metros (20.000 pies). [12]
Los cúmulos pueden estar compuestos por cristales de hielo , gotas de agua, gotas de agua sobreenfriada o una mezcla de ellos. [1] Las gotas de agua se forman cuando el vapor de agua se condensa en los núcleos y luego pueden fusionarse en gotas cada vez más grandes.
Un estudio encontró que en las regiones templadas, las bases de las nubes estudiadas oscilaban entre 500 y 1500 metros (1600 a 4900 pies) sobre el nivel del suelo. Estas nubes normalmente estaban por encima de los 25 ° C (77 ° F) y la concentración de gotas oscilaba entre 23 y 1300 gotas por centímetro cúbico (380 a 21 300 por pulgada cúbica). Estos datos se tomaron de cúmulos aislados en crecimiento que no estaban precipitando. [13] Las gotas eran muy pequeñas, con un diámetro de alrededor de 5 micrómetros . Aunque es posible que hayan estado presentes gotas más pequeñas, las mediciones no fueron lo suficientemente sensibles para detectarlas. [14] Las gotas más pequeñas se encontraron en las porciones inferiores de las nubes, mientras que el porcentaje de gotas grandes (alrededor de 20 a 30 micrómetros) aumentó dramáticamente en las regiones superiores de la nube. La distribución del tamaño de las gotas fue de naturaleza ligeramente bimodal , con picos en los tamaños de gotas pequeñas y grandes y una ligera depresión en el rango de tamaño intermedio. El sesgo fue más o menos neutral. [15] Además, el tamaño de las gotas grandes es aproximadamente inversamente proporcional a la concentración de gotas por unidad de volumen de aire. [dieciséis]
En algunos lugares, los cúmulos pueden tener "agujeros" donde no hay gotas de agua. Estos pueden ocurrir cuando los vientos rasgan la nube e incorporan el aire ambiental o cuando fuertes corrientes descendentes evaporan el agua. [17] [18]
Los cúmulos se dividen en cuatro especies distintas: cúmulos humilis , mediocris , congestus y fractus . Estas especies pueden organizarse en la variedad cumulus radiatus ; y puede ir acompañado de hasta siete características suplementarias, cumulus pileus , velum , virga , praecipitatio , arcus , pannus y tuba . [19] [20]
La especie Cumulus fractus tiene una apariencia irregular y puede formarse en aire claro como precursor de cumulus humilis y tipos de especies de cúmulos más grandes; o puede formarse en la precipitación como característica complementaria pannus (también llamado scud ), que también puede incluir estratos fractus del mal tiempo. [21] [22] Las nubes Cumulus humilis parecen formas hinchadas y aplanadas. Las nubes Cumulus mediocris tienen un aspecto similar, excepto que tienen cierto desarrollo vertical. Las nubes Cumulus congestus tienen una estructura similar a una coliflor y se elevan hacia la atmósfera, de ahí su nombre alternativo "cúmulos imponentes". [23] La variedad Cumulus radiatus se forma en bandas radiales llamadas calles de nubes y puede comprender cualquiera de las cuatro especies de cúmulos. [24]
Las características suplementarias de los cúmulos se observan con mayor frecuencia en la especie congestus. Los cúmulos virga son cúmulos que producen virga (precipitación que se evapora en el aire) y los cúmulos praecipitatio producen precipitación que llega a la superficie de la Tierra. [25] Los cúmulos pannus comprenden nubes trituradas que normalmente aparecen debajo del cúmulo principal durante la precipitación. Los cúmulos arcus tienen un frente de ráfagas , [26] y los cúmulos tuba tienen nubes en forma de embudo o tornados . [27] Los cúmulos píleo se refieren a cúmulos que han crecido tan rápidamente como para forzar la formación de píleo sobre la parte superior de la nube. [28] Las nubes Cumulus velum tienen un velo de cristal de hielo sobre la creciente parte superior de la nube. [19] También hay cúmulos cataractagenitus. Estos están formados por cascadas. [29]
Los cúmulos humilis suelen indicar buen tiempo. [23] Las nubes Cumulus mediocris son similares, excepto que tienen cierto desarrollo vertical, lo que implica que pueden crecer hasta convertirse en cumulus congestus o incluso cumulonimbus , que pueden producir fuertes lluvias, relámpagos, vientos fuertes, granizo e incluso tornados . [4] [23] [30] Las nubes Cumulus congestus , que aparecen como torres, a menudo crecerán hasta convertirse en nubes de tormenta cumulonimbus . Pueden producir precipitaciones. [23] Los pilotos de planeadores a menudo prestan mucha atención a los cúmulos, ya que pueden ser indicadores de corrientes de aire ascendentes o térmicas debajo que pueden absorber el avión hacia lo alto del cielo, un fenómeno conocido como succión de nubes . [31]
Debido a la reflectividad, las nubes enfrían la Tierra alrededor de 12 °C (22 °F), un efecto causado en gran medida por las nubes estratocúmulos. Sin embargo, al mismo tiempo calientan la Tierra unos 7 °C al reflejar la radiación emitida, un efecto causado en gran medida por los cirros . Esto promedia una pérdida neta de 5 °C (9,0 °F). [32] Los cúmulos, por otro lado, tienen un efecto variable en el calentamiento de la superficie de la Tierra. [33] Las especies más verticales de cumulus congestus y el género de nubes cumulonimbus crecen alto en la atmósfera, llevando humedad consigo, lo que puede conducir a la formación de cirros. Los investigadores especularon que esto podría incluso producir una retroalimentación positiva, donde el aumento de la humedad atmosférica superior calienta aún más la tierra, lo que resulta en un número cada vez mayor de cúmulos congestus que transportan más humedad a la atmósfera superior. [34]
Los cúmulos son un género de nubes de bajo nivel de convección libre junto con los estratocúmulos de nubes de convección limitada relacionados. Estas nubes se forman desde el nivel del suelo hasta los 2000 metros (6600 pies) en todas las latitudes. Las nubes estratos también son de bajo nivel. En el nivel medio se encuentran las nubes altas, que consisten en los altocúmulos de nubes estratocumuliformes de convección limitada y los altoestratos de nubes estratiformes. Las nubes de nivel medio se forman desde 2.000 metros (6.600 pies) a 7.000 metros (23.000 pies) en áreas polares, 7.000 metros (23.000 pies) en áreas templadas y 7.600 metros (24.900 pies) en áreas tropicales. La nube de alto nivel, cirrocúmulo, es una nube estratocumuliforme de convección limitada. Las otras nubes en este nivel son cirros y cirroestratos. Las nubes altas se forman de 3.000 a 7.600 metros (9.800 a 24.900 pies) en latitudes altas, de 5.000 a 12.000 metros (16.000 a 39.000 pies) en latitudes templadas y de 6.100 a 18.000 metros (20.000 a 59.100 pies) en latitudes tropicales bajas. [12] Las nubes cumulonimbos, como los cúmulos congestus, se extienden verticalmente en lugar de permanecer confinadas a un nivel. [35]
Las nubes cirrocúmulos se forman en parches [36] y no pueden proyectar sombras. Suelen aparecer en patrones ondulantes regulares [37] o en hileras de nubes con áreas claras entre ellas. [38] Los cirrocúmulos, al igual que otros miembros de las categorías cumuliformes y estratocumuliformes, se forman mediante procesos convectivos . [39] El crecimiento significativo de estos parches indica inestabilidad a gran altitud y puede indicar la aproximación de un clima más pobre. [40] [41] Los cristales de hielo en la parte inferior de las nubes cirrocúmulos tienden a tener la forma de cilindros hexagonales. No son sólidos, sino que tienden a tener embudos escalonados que salen de los extremos. Hacia la cima de la nube, estos cristales tienden a agruparse. [42] Estas nubes no duran mucho y tienden a convertirse en cirros porque a medida que el vapor de agua continúa depositándose sobre los cristales de hielo, eventualmente comienzan a caer, destruyendo la convección ascendente. Luego, la nube se disipa formando cirros. [43] Las nubes cirrocúmulos vienen en cuatro especies que son comunes a los tres tipos de géneros que tienen características de convección limitada o estratocumuliformes: estratiformis , lenticularis , castellanus y floccus . [40] Son iridiscentes cuando las gotas de agua sobreenfriada que las constituyen son todas aproximadamente del mismo tamaño. [41]
Las nubes altocúmulos son una nube de nivel medio que se forma desde 2.000 metros (6.600 pies) de altura hasta 4.000 metros (13.000 pies) en áreas polares, 7.000 metros (23.000 pies) en áreas templadas y 7.600 metros (24.900 pies) en áreas tropicales. [12] Pueden tener precipitaciones y comúnmente están compuestos por una mezcla de cristales de hielo, gotas de agua sobreenfriada y gotas de agua en latitudes templadas. Sin embargo, la concentración de agua líquida era casi siempre significativamente mayor que la concentración de cristales de hielo, y la concentración máxima de agua líquida tendía a estar en la parte superior de la nube, mientras que el hielo se concentraba en la parte inferior. [44] [45] Se descubrió que los cristales de hielo en la base de las nubes altocúmulos y en la virga eran dendritas o conglomerados de dendritas, mientras que las agujas y placas residían más hacia la parte superior. [45] Las nubes altocúmulos pueden formarse por convección o por elevación forzada causada por un frente cálido . [46]
Una nube estratocúmulo es otro tipo de nube estratocumuliforme. Al igual que los cúmulos, se forman en niveles bajos [38] y por convección. Sin embargo, a diferencia de los cúmulos, su crecimiento se retrasa casi por completo debido a una fuerte inversión . Como resultado, se aplanan como nubes estratos, dándoles una apariencia de capas. Estas nubes son extremadamente comunes y cubren en promedio alrededor del veintitrés por ciento de los océanos de la Tierra y el doce por ciento de los continentes de la Tierra. Son menos comunes en áreas tropicales y comúnmente se forman después de frentes fríos . Además, las nubes estratocúmulos reflejan una gran cantidad de luz solar entrante, produciendo un efecto de enfriamiento neto. [47] Las nubes estratocúmulos pueden producir llovizna , que estabiliza la nube calentándola y reduciendo la mezcla turbulenta. [48]
Los cumulonimbus son la forma final de cúmulos en crecimiento. Se forman cuando los cúmulos congestus desarrollan una fuerte corriente ascendente que impulsa sus cimas cada vez más alto en la atmósfera hasta alcanzar la tropopausa a 18.000 metros (59.000 pies) de altitud. Las nubes cumulonimbos, comúnmente llamadas nubes de tormenta, pueden producir fuertes vientos, lluvias torrenciales, relámpagos, frentes de ráfagas, trombas marinas , nubes en forma de embudo y tornados. Comúnmente tienen nubes de yunque . [23] [35] [49]
Una nube en herradura de corta duración puede ocurrir cuando un vórtice en herradura deforma un cúmulo. [50]
Se han descubierto algunas nubes cumuliformes y estratocumuliformes en la mayoría de los demás planetas del Sistema Solar . En Marte , el Viking Orbiter detectó cirrocúmulos y estratocúmulos que se forman por convección principalmente cerca de los casquetes polares. [51] La sonda espacial Galileo detectó nubes cumulonimbus masivas cerca de la Gran Mancha Roja en Júpiter . [52] También se han detectado nubes cumuliformes en Saturno . En 2008, la nave espacial Cassini determinó que los cúmulos cerca del polo sur de Saturno eran parte de un ciclón de más de 4.000 kilómetros (2.500 millas) de diámetro. [53] El Observatorio Keck detectó cúmulos blanquecinos en Urano . [54] Al igual que Urano, Neptuno tiene cúmulos de metano. [55] Venus , sin embargo, no parece tener cúmulos. [56]
